Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Основы физики горных пород..pdf
Скачиваний:
45
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
17.54 Mб
Скачать

менных факторов. Ведь если для расчета какого-то одного пара­ метра необходимо определить четыре-пять других, то применение такой корреляционной взаимосвязи для практических расчетов нецелесообразно.

Поэтому уравнения множественной корреляции целесообразны лишь в случае, когда в результате их использования точность вычислений возрастает и расширяется область применения урав­ нений.

5.5. Паспортизация горных пород по физико-техническим параметрам

Цель паспортизации пород состоит в том, чтобы компактно записывать основные физические параметры пород с практически достаточной для расчетов степенью точности. Паспорта горных пород позволяют систематизировать, классифицировать, обра­ батывать данные методами вычислительной техники. Информа­ ция, получаемая из паспортов горных пород, вполне достаточна для выполнения большинства практических расчетов. Базовые свойства пород позволяют по известным формулам вычислить

производные показатели, в том числе

и

технологические.

В п а с п о р т г о р н ы х

п о р о д

(табл. 5.1)

входят их

название (I), характеристики

состава

(II)

и комплекс

основных

ских свойств горных пород

V

 

Г р у п п а м ехан и чески х

свойств

 

(ч и сл и те л ь )

 

 

н а

 

 

О В

он

 

 

2 и

а

gS

а*

as

п

>6>«0

с о

” 8

 

ч в

 

•&

§С

«а

 

 

 

Г р у п п а теп ло вы х

свой ств

 

(зпам е н атель)

 

 

а

 

ggg

5*

8

 

ч

 

Е 5 к

 

и

 

о к 55

s i

о л

 

Е L' ft

 

 

Е н к

а о

 

 

а с 3

Oft

аИ*

 

есн 3

ев

 

©О со

со о

д

 

о« ^

 

 

И о.

 

§

 

й « о

ё

и

 

5 ^

 

 

а

Т а б л и ц а 5.1

VI

Г р у п п а эл е к тр о м а гн и тн ы х св о й ств

л

&

Б

к

ft

 

и

О

сг

а

с

х

3S

 

а

 

о

 

а

 

ев

 

 

S T

 

 

 

а

 

 

 

а

 

 

 

о

 

 

 

ft

 

 

 

а

В

&

 

 

Ч

а

 

ч

 

 

а

а

со

сО

Я

л

ч

 

а

 

ч

 

ш

СО

 

н

 

р»

Н

 

параметров (III, IV, V и VI), достаточных для оценки породы как объекта горных работ, записанных в виде соответствующего номера группы.

Все показатели строения и свойств горных пород по числен­ ному значению разбиты на 10 групп (табл. 5.2, 5.3, 5.4, 5.5), причем пределы изменения их в каждой группе выбраны с учетом предельных значений параметров для пород и коэффициента

Т а б л и ц а 5.2

Группирование размеров зерен в горных породах

Тип структуры породы

Аморфная Скрытокристаллическая:

коллоидная

глинистая

алевритовая

Песчаная:

мелкозернистая

среднезернистая

Грубоабломочная:

крупнозернистая

грубозернистая

гигантозорнистая

размер зерен,

мм

0

0—5*10 4

5 • 10“ 4—10~ 3

10- з—5 -102

5 .1 0 - а— Ю-1

101—2,5-Ю- 1

2,5-10-1—-5-10- 1

сл

l

1

0 -t

 

1

 

 

'

 

 

1—5

 

 

> 5

 

Группа

размера

зерен

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

вариации, в результате чего интервал разбивки параметров неравномерный. Большему значению параметра соответствует и большее цифровое обозначение группы.

Группирование параметров

 

 

,

ч

 

 

 

Коэффициент

Группа

 

Коэффициент

 

 

Коэффициент

неоднородности

Группа

р

неоднородности

формы /1фр

формы верен

 

размеров

формы /<н> ф

 

 

 

ftH. р

 

 

 

1—1,5

0

 

1—1,5

0

 

1 -1 ,5

1,5 -2 ,5

1

 

1 ,5 -2,5

1

 

1 ,5 -2 ,5

2,5—5,5

2

 

2,5—5,5

2

 

2,5—5,5

5,5—10,5

3

 

5,5 -10,5

3

 

5,5—10,5

10,5-20

4

 

10,5-30

4

 

10,5-20

20—30

5

 

30—50

5

 

20—30

30—50

6

 

50-100

6

 

30—50

50—70

7

 

100—150

7

 

50—70

70—100

8

 

150-200

8

 

70—100

> 10 0

9

 

>200

9

 

> 10 0

Название породы записывается в графу I табл. 5.1 словами или цифровым кодом (см. раздел 1.11). В графе ГГ табл. 5.1 ста­ вится дробь, в числителе которой первая цифра обозначает группу среднего размера dcp слагающих породу зерен, приведенную в табл. 5.2, вторая цифра — группу формы зерен /сфр, пред­ ставленную в табл. 5.3. В знаменателе проставляются цифры, обозначающие группы, соответствующие коэффициентам неод­ нородности зерен по размерам кн, р и форме kiUф. Две последние цифры строения указывают соответственно на группы коэффи­ циента ориентации ка и трещиноватости ктр (табл. 5.3).

Коэффициент трещиноватости оценивается по удельному ко­ личеству трещин, приходящихся на 1 см2 площади поверхности горной породы.

Вграфах ПГ и ГУ табл. 5.1 записываются группы объемной массы и пористости, соответствующие физическим параметрам породы, приведенным в табл. 5.4.

Вграфе V табл. 5.1 проставляется дробь, цифры числителя которой обозначают группы механических параметров, приве­ денных в табл. 5.4: предела прочности при сжатии, предела прочности при растяжении, модуля упругости и коэффициента Пуассона. В знаменателе соответственно записываются группы тепловых параметров: коэффициента теплопроводности, удель­ ной теплоемкости, коэффициента линейного теплового расшире­

ния,

определяемые по табл. 5.5.

В

графе УГ табл. 5.1 записываются четыре цифры, соответ­

ствующие группам электромагнитных параметров породы: удель­ ного электрического сопротивления, диэлектрической прони­ цаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и магнитной проницаемости (см. табл. 5.5).

Число отдельных показателей (механических, тепловых, элек­ тромагнитных), так же и как и природно-структурных пока­

строения горных пород

Группа

Коэффициент

Группа

Коэффициент

ориентации

трещиноватости

коэффициент:!

кн. ф

зерен h0

ориентации

 

^тр

 

0

1—1,5

0

010"-4

1

1 ,5 -2 ,5

1

104—2 10-4

2

2 ,5 -5 ,5

2

2 -10- 4— 5-10*" 4

3

5,5-10,5

3

5 -10" 4— 103

4

10,5-20

4

1

1

1

0

to

О и

5

20—30

5

2 -10 3—5-10“ 3

6

30—50

6

5 -10- 3- 10 "2

7

50 -7 0

7

Ю-

 

 

8

70-100

8

10" Х~ 1

 

9

> 10 0

9

 

> 1

 

т а б л и ц а 5.3

Группа Блочность трещино­

ватости

Крупная 0

»1

Средняя 2

»

3

Мелкая

4

»

5

»

0

. »

7

Тонкая

8

»

9

Группирование плотностных и меха

 

 

 

Объемная масса

Пористость Р, %

Предел прочности при

 

 

 

сжатии осж*Ю”в, Па

 

 

 

р -10-3, кг/м3

Группа

 

Пределы изменения

 

Среднее

значение

Пределы

изменения

Среднее. значение

 

Пределы изменения

Среднее значение

 

0

До

1,60

1,0 ±

0,6

До

2

1 ±

1

До 100

50

±

50

1

1 ,6- 2,0

1,8

±

0,2

2 - 4

3 ±

4

100-300

200 ±

100

2

2,0—2,4

2,2 ±

0,2

4—6

5 ±

1

300—500

400

±

100

3

2,4—2,6

2,5

±

0,1

6—8

7 ±

1

500—700

600

±

100

4

2

6

2,8

2,7

±

0,1

8—10

9 ±

1

700—900

800

±

100

5

 

, —

1000 ±

100

2 ,8—3,0

2,9

±

0,1

10 -14

12 ±

2

900—1100

6

3,0—3,4

3,2

±

0,2

14—18

16 ±

2

1100—1500

1300

±

200

7

3 ,4 -4 ,0

3,7

±

0,3

18 -26

22 ±

2

1500-2100

1800

±

300

8

4,0—5,0

4,5 ±

0,5

26 -4 0

33 ±

7

2100—2900

2500

±

400

9

Более 5,0

 

Болзе

 

Болео 2900

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

 

 

зателей, учитываемых в паспорте, можно при необходимости увеличить, так как форма паспорта легко позволяет это сделать.

Таким образом, результаты изучения параметров пород могут быть записаны в следующем виде:

Д1Ц1 гранита мелкозернистого

_1251_ 02 4 0 ^ 5 4 3 ! ;

для каменного угля (с записью названия угля по коду классик фикации)

17 - 1 3 - 2 . 3 -jg-0 ,4 -0 4

2840;

для аркозового

песка

 

0 2 - 0 1 - 3 .1 -Z1 0 9 - 2 7 ^ - 4 4 2 1 .

Паспорт свойств

пород

весьма наглядно выявляет общие

и отличительные черты горных' пород и хорошо согласуется с принятой их классификацией по крепости (см. приложение 29).

5.6. Физические свойства пород Луны *

Благодаря современным достижениям космонавтики стало возможным приступить к непосредственному изучению образцов пород, отобранных с поверхности Луны. Породы Луны были

* Написано по материалам совместных исследований АН СССР и МГИ.

нических параметров горных пород

Предел прочности при

Модуль упругости

Коэффициент Пуассона v

растяжении ар-10“в, Па

Е-10-10, Па

 

 

 

 

 

Пределы изменения

Среднее значение

 

Пределы изменения

 

Среднее значение

 

Пределы изменения

 

Среднее значение

 

До 10

5

±

5

До 0,9

0,45

* До 0,13

0,1

±

0,03

10—30

20 ±

10

0,9—2,5

1,7

±

0,8

0,13-0,17

0,15

±

0,02

30—50

40

±

10

2,5 -3 ,5

3,00 ±

0,5

0,17-0,21

0,19

±

0,02

50—70

60

±

10

3 ,5 -4 ,5

4,0

±

0,5

0,21—0,23

0,22 ±

0,01

70—90

80

±

10

4 ,5 -5 ,5

5,0

±

0,5

0,23—0,25

0,24

±

0,01

90-110

100

±

10

5 ,5 -6 ,5

6,0

±

0,5

0,25—0,27

0,26

±

0,01

110—130

120

±

10

6,5 -9 ,5

8,0 ±

1,5

0,27—0,29

0,28

±

0,01

130—170

150

±

20

9,5-12,5

11 ±

1,5

0,29-0,33

0,31

±

0,02

170—230

200

±

30

12,5—17,5

15 ±

2,5

0,33-0,41

0,37

±

0,04

Белее 230

 

 

Болес 17,5

 

 

 

Более 0,41

 

 

 

впервые доставлены на Землю автоматической станцией «Лупа-16»

в

1970 г.

и космонавтами космического корабля «Апполон-11»

в

1969 г.

 

 

Поверхность Луны покрыта слоем рыхлых разнозернистых

пород, различных по составу и свойствам. Такой лунный грунт принято называть р е г о л и т о м. Он состоит из непреобразованных обломков магматических пород типа базальтов и сплав­ ленных, слипшихся сферических частиц. В результате петрогра­ фического анализа установлено, что в реголите содержатся габ­ бро, базальт, анортозит, брекчии, различные стекловатые ча­ стицы и шлаки.

По химическому составу габбро-базальт, доставленный стан­ цией «Луна-16», характеризуется высоким содержанием S i0 2 (43,8%), А120 3 (13,6%) и FeO (19, 4%).

Минералы, содержащиеся в породах Луны, принципиально не отличаются от таковых земного происхождения — это пироксены, плагиоклазы, оливины. Из рудных минералов обнару­ жены ильменит, шпинели, а также металлическое никелистое

железо

(Ni—Fe).

 

 

 

 

 

 

 

 

Выявлено, что реголиту земным аналогом может служить

андезито-базальтовый песок и молотый базальт.

 

 

 

Объемная

масса

реголита

в естественном состоянии

около

1,2-103 кг/м3,

механическим

уплотнением

величину

р

 

можно

повысить

до

2 ,3 '103 кг/м3.

Плотность минеральных

фракций

лунного

грунта составляет

от

3,05-103 до

3,12-103 кг/м3, пори­

стость

зерен — около

10—13%.

 

 

 

 

 

К о э ф ф и ц и е н т

с ж и м а е м о с т и

реголита

в

диа­

пазоне

давлений от

0

до 0,5-10б Па изменяется от

3,9-10-6 до

Г р у п п

0

1

3

4

5

6

7

8

9

Г р у п п и р о в а н и е т е п л о в ы х

и

э л е к т р о м а г н и т н ы х

п а р а м е т р о в

Коэффициент теплопроводности Я, Вт/(м- К)

Пределы

изменения

До 0,5

0,5-0,9

о

СО

1,3-1,7

1,7-2,3

2,3-2,7

2,7-3,3

Среднее значение

0,3± 0,2

0,7 ±0,2

1,1 ± 0,2

1,5 ± 0,2

2±0,3

2,5 ± 0,2

3±0,3

со со

1

4±0,7

4,7—7.3 6±1,3

Удельная теплоемкость с, кДж/ (кг - К)

Пределы

Среднее значение

изменения

До 0,25

0,15 ± 0,01

0,25—0,35

0,30 ± 0,05

0,35—0,45

0.4 ± 0,05

0,45—0,55

0,5 ±0,05

0,55-0,65

0,6 ±0,05

0,65-0,75

0,7 ± 0,05

0,75—0,85

0,8

±0,05

0,85—0.95

0,9

±0,05

0,95-1,45

1,2 ±0,25

Удельное электрическое сопротивление рэ, Ом-м

Пределы

Среднее значение

изменения

До Ю -з

10~4

10-3—101

10-1

101—103

102

-

со

-

104

О >н

1

1Я чНО

105-107

Юс

107—10»

108

Ю9_1С111

Ю Ю

1011—1013

1012

1013—1017

1015

Более 7,3

1 Более 1,45

Более 1017

|

0,2-10” 6 П а '1, причем кривая сжимаемости имеет вид экспо­ ненты

Р = Рсб + (Р0 —Р оо)е-*а,

где Р , Р0, Р сопористость грунта соответственно при опре­ деленном давлении о, отсутствии давления и при максимальном уплотнении; к — постоянный коэффициент.

Механические свойства лунного грунта

И к

--------------*---------------------

Коэффициенттрения относительностали

внутреннзгоУгол ф,тренияIрадус

сГ

 

 

 

 

л

 

 

 

 

о

 

 

 

 

о

 

 

 

 

crt

 

 

 

 

ПроС'н

 

 

 

 

С

 

 

 

 

2

 

 

 

 

с

а

 

 

 

а

 

 

 

о

S

 

 

 

Лунный грунт («Луна-16»)

1900

0,3

29,5

Молотый базальт

1730

0,25

29

Андозпто-базальтовый носок

1460

0,3

26

Т а б л и ц а

5.6

 

в

 

 

ЕГ

 

,

а

 

с ц

S

 

А

 

к

О

 

>0<

 

Сцепление Па

 

§ ей

 

хК

 

>•

цэ*

 

«

 

О

Cl

3000

2,4 -105

 

1600

Экспериментально

установлено,

что для реголита Р{)

1,7;

Роо= 0,85;

к = 8,5-10_б Па"1.

 

около 3 • 103 Па,

угол

С ц е п л е н и е реголита К С1Хсоставляет

внутреннего

трения

ф

25 -f- 30°

(табл.

5.6).

 

По мере

уменьшения

степени

уплотнения лунного грунта

его сопротивление сдвигу и соответственно сцепление умень­

шаются.

2?деф реголита

также

суще­

М о д у л ь д е ф о р м а ц и и

ственно зависит" от его уплотнения

и изменяется

от 1,6-104 до

2,4-105 Па при изменении насыпной массы от 1,12*

103 до

1,62 X

X 103 кг/м3.

 

 

 

Таким образом, рыхлый лунный грунт сильно сжимаем, обладает в неуплотненном состоянии незначительным сцеплением и малым углом внутреннего трения (рис. 5.11).

Лунный грунт обладает различными тепловыми свойствами в зависимости от условий измерения — в вакууме или в атмо­

сфере

 

гелия.

в

вакууме

к о э ф ф и ц и е н т

т е п л о ­

При

измерениях

п р о в о д н о с т и

X реголита не зависит от удельного давления

на грунт в пределах

от 1,5* 102

до 0 ,8 1 0 бПа. При

темпера­

туре

20—40° С он составляет от

'2• 10“ 3 до 2,76-10"3

Вт/(м-К)

(табл.

5.7).

 

 

 

 

В атмосфере гелия коэффициент теплопроводности резко воз­

растает

и достигает

0,155 Вт/(м» К). Удельная теплоемкость ре го-

лита

независимо

от

условий

испытания

составляет

0,74—

0,76

кДж/(кг-К),

температуропроводность

в вакууме —

0,27 • 10~ 8 м2/с, в

атмосфере гелия — 14,7 • 10~ 8 м2/с.

 

 

Примерно такими же тепловыми параметрами обладают и зем­

ные

аналоги

реголита

в

соответствующих

условиях.

доста­

У д е л ь н а я

 

т е п л о е м к о с т ь лунных

пород,

вленных

комическим кораблем

«Апполон-11»,

находится

в

пре-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

610-*Ла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ifl

 

 

 

 

 

Рис.

5.11.

Связь

мсжду-напряжс-

0,8

 

 

 

 

 

ниями

и

глубиной Н

внедрения

 

 

 

 

 

плоского

 

штампа

в лунный грунт

 

 

 

 

 

 

при

различной

степени

его

уплот­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нения:

 

 

0 ,6

 

 

 

 

 

1 — р =

1120

кг/м3;

2

— р =

 

 

 

 

 

 

= 1250 кг/м3; 3

— р =

1450

кг/м3;

0,h-

 

 

 

 

 

 

4

— Р =

1620 кг/м3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

5.7

Тепловые

и электрические свойства лунного грунта

(в вакууме)

 

П р о б а

сыап н ая ассар н, 3м/г

 

 

Н м к

Лунный грунт

1380

(«Луна-16»)

1265

Лунный грунт («Ап­

полон-11 »)

 

Молотый базальт

1220

Андезпто-базальто- 1140 вый песок

1>

Я

 

ft

<■

и

 

 

 

 

Е-

£

О

ft ®

PQ

СП

С ^

<<

М

^ II

о К

о.

СО

2,76-Ю-3 0,74

3,2-10е

3,36

2,3-Ю" 3 0,74

6,98-10-3 0,74

4,9-Ю6

3,35

4,48-10-3

0,79

4 ,2 -10е

3,94

ег K ft

ft-» С о

СО 1-т

о

С1

1

1,24-10-2

0,94-Ю" 2

делах 0,78—0,84 Дж/(г-К), коэффициент теплопроводности Х =

= 2,3* 10"3 Вт/(м- К).

При увеличении плотности грунта пара­

метр X в вакууме возрастает, в атмосфере гелия уменьшается.

Диэлектрическая

проницаемость гг реголита составляет 3,2—

3,4 в пределах частот 10б—107 Гц. Тангенс угла диэлектрических потерь равен 0,98 • 10“ 2—1,6 • 10“ 2, удельное электрическое сопро­

тивление

3,2• 10е—3,6• 10° Ом-м.

Таким образом, коэффициент теплопроводности лунного грунта

в вакууме

приблизительно на три порядка ниже коэффициента

теплопроводности плотных горных пород Земли аналогичного состава.

Значения же электрических свойств реголита и земных по­ род приблизительно одинаковы. Характер изменения е, р, tg б

лунного

грунта

от частоты анологичен характеру изменения

этих параметров для земных пород подобного состава.

У д е л ь н а я

м а г н и т н а я

в о с п р и и м ч и в о с т ь

реголита

находится в пределах (4,9—5,2) 10~3 м3/кг. В образцах

реголита имеется около 3—4% ферромагнитных минералов. При изучении магнитных свойств реголита обнаружено явление спада намагниченности со временем до некоторого постоянного зна­ чения, устанавливающегося через 5—6 мин после выключения намагничивающего поля. Это явление характерно только для многокомпонентных порошкообразных смесей, где в качестве одной из составляющих присутствуют силикаты.